JP6230651B2 - 自動車の熱交換器システム - Google Patents

Description

本発明は請求項１の上位概念に記載の特徴に従う自動車の熱交換器システムに関する。

ますます乏しくなる化石リソースの理由と、自動車のＣＯ２排出に関する法的基準上の理由から、自動車の全体効率を向上させる措置が、より重要な意味を有することとなっている。自動車の駆動の為の化学結合エネルギーのおよそ三分の二が、燃焼排熱摩擦熱の形式で失われる。よって、排ガス熱をより良好に活用し、そして自動車の効率向上に利用する努力が、既に長い間行われている。直接的なエネルギー回生（熱電子、ランキン）のコンセプトの他に、自動車の熱管理と関連する複数の措置が、例えば内部室暖房の目的で、又はコールドスタートフェーズの短縮の目的で、排ガス熱利用の可能性を提供する。コールドスタートフェーズの短縮は、エンジンオイルやギアオイルのような潤滑剤の加速された加熱によって行われる。これによって摩擦損失の減少が図られることが可能である。

特許文献１によって、循環系ヒートパイプを有する自動車の内燃エンジンの為の排ガスシステムが既知である。排ガスシステムは、排ガスパイプ、凝縮装置、蒸発装置、及び凝縮装置と蒸発装置を接続する配管を有する。排ガスに奪われる熱エネルギーの熱搬送は、作動媒体を介して行われる。蒸発装置が、排ガスパイプ、毛細管構造、及びスリーブパイプから形成されている。毛細管構造は、排ガスパイプとスリーブ筐体の間の多孔性の筐体として形成されており、その際、作動媒体は、毛細管構造の通過の際に液体状の状態から、ガス状又は蒸気状の状態へと移行する。

ヒートパイプは、特に、伝達可能な高い熱流と柔軟な幾何形状的配置において際立っている。これは、ヒートロード（独語：Ｗａｅｒｍｅｅｉｎｔｒａｇ）のみによって作動媒体の機械的ポンピング無しに機能する。これは、作動媒体の流れ圧力損失を毛細管圧によって補償する蒸発装置内の毛細管構造の使用によって可能である。公知のヒートパイプは、内側に位置するガス案内部または内側に位置するバイパスと同心に形成されている。これは、内側から外側に向かう一方側のみの熱放出を可能とする。管形状の毛細管構造の製造は複雑でもある。

ドイツ連邦共和国特許第１０ ２０１１ １０３ １１０ Ｂ４号明細書

本発明の課題は、先行技術から出発して、構造空間技術の面でおよび適用技術の面で改善されており、重量が削減されており、及び製造技術的に有利である蒸発装置を有する、実践において改善された自動車の熱交換器システムを完成することである。

この課題は、請求項１に記載の自動車の熱交換器システムの発明に従い解決される。

本発明に係る自動車の熱交換器システム及び発明思想の有利な実施形と発展形は、従属請求項２から１６の対象である。

自動車の熱交換器システムは、作動媒体の為の一つの閉じられた循環系を有する。循環系内には蒸発装置が統合されている。これは、自動車の内燃機関の排ガス流中に設けられており、そして排ガスと熱交換を行う接触をしている。自動車の内燃機関から連行される排ガスは、この為、全部が、又は部分的に、排ガスチャネルを通して導かれる。蒸発装置内においては、作動媒体が蒸発され、そしてそこから出発して自動車内に設けられた凝縮装置に向かって流れる。凝縮装置内には、コンシューマーとの熱伝達が行われる。その際、蒸気状の作動媒体は凝縮し、そして液体となる。リターン配管を介して液体の作動媒体は蒸発装置に戻される。

発明に従い蒸発装置は、蒸発装置は少なくとも二つの蒸発装置カセットを有する。その際、蒸発装置カセットの間には、排ガスチャネルが形成されている。各蒸発装置カセットは、これらの中に統合された毛細管構造と液体側と蒸気側を有する。液体側と蒸気側は、毛細管構造によって分離されている。液体側には、液体状の作動媒体の為の媒体サプライ部が設けられている。各蒸発装置カセットには、蒸気収集部が、生成される蒸気状の作動媒体の収容及び導出の為に付設されている。

カセット構造によって、又はプレート形状の構造によってモジュール化及びスケール化が可能である。更に、コンパクトな構造で大きな熱伝達面が達成されることが可能である。効率的な熱伝達面は、蒸発装置カセットの大きさを介して変更されることが可能である。更に、複数の蒸発装置又は蒸発装置カセットを並行して作動させ、ひいては排ガスチャネルの数量を介して、出力の他に所定の作動点における効率を構成する可能性が存在する。

排ガスチャネルは、自動車の内燃機関の排ガス流のバイパスの構成部材であることも可能である。

排ガスは、排ガスチャネル内に排ガスエントリーを介して進入し、そして排ガス出口を介してこれから流出する。好ましくは、自動車の内燃機関から来る排ガス流は、複数の排ガスチャネルを介して分配され、完全に又は部分的に蒸発装置を通って案内される。この為、蒸発装置には排ガス流供給部が入口側に、そして排ガス導出部が出口側に付設されている。

蒸発装置カセット内では、毛細管構造によって液体側と蒸気側が互いに分離されている。毛細管構造は、好ましくは多孔性のプレート筐体によって形成されている。ここで有利な観点は、毛細管構造が焼結された材料から成ることを意図している。特に、毛細管構造は金属ベースで形成されている。

作動中、作動媒体は液体側から毛細管構造を通って移動し、そしてここで蒸発される。蒸発装置の運転の間の液体と蒸気の間の相境界は、毛細管構造内を推移する。これによって、毛細管圧が構築され、これは作動媒体の循環系の前提となり、又はこれを保証する。蒸気側では、ガス状又は蒸気状の状態で作動媒体が毛細管構造から流出する。ここから、循環系内の蒸気状の作動媒体が導き出される、又は送出される。

毛細管構造の製造は特に有利である。毛細管構造は、独立して製造されることが可能である。特に有利には、毛細管構造は、ばらばらの金属のバルクパウダーから焼結される。これは、毛細管構造が異なる幾何形状的形態を有することを可能とする。更に、複数の蒸気チャネルが、焼結型内に直接統合されることが可能である。好ましくは、蒸気案内のために必要な蒸気チャネルが、材料統一的に一体に毛細管構造内に形成されている。

しかしまた、基本的に、毛細管構造が金属のランダム不織布（独語：Ｗｉｒｒｆａｓｅｒｖｌｉｅｓ）として形成されていることも可能である。

毛細管構造内には蒸気チャネルが形成されている。特に有利には蒸気チャネルは、排ガスチャネルの方に向けられた毛細管構造の面内の蒸気側に設けられている。

蒸気側では、蒸発装置カセットのカセットハウジング内に複数の蒸気溝が形成されていることが可能である。そのような蒸気溝は、例えば蒸発装置カセットの底部内の複数の条部によって形成されていることが可能である。

好ましくは蒸発装置には、又は各蒸発装置カセットには、蒸気収集室が付設されている。この中で、蒸発装置から又は蒸発装置カセットから流れ出す蒸気が集められ、そしてそこから凝集装置に導かれる。

特に有利な自動車の熱交換器システムは、蒸発装置が複数の蒸発装置カセットを含むことを意図する。蒸発装置カセットは、好ましくはモジュール式に、隣接する蒸発装置カセットの間に、自動車の内燃機関から来る排ガスの為の各一つの通路が形成されているように組み立てられており、そして互いに接合されている。相応して、一又は複数の排ガスチャネルが其々、隣接する互いに接合された二つの蒸発装置カセットの間に形成されている。

この関係で、更に、一又は複数の排ガスチャネル内に熱移行面の拡大の為の複数の熱交換器要素が設けられているとき、有利である。これによって、作動媒体への高温の排ガスの熱伝達の効率の向上が達成されることが可能である。好ましくは、熱交換器要素は複数の、リブ、ウェブ又はフィンとして形成されている。実践においては、ステンレス薄板フィンが、熱伝達面の拡大の為の特に良好な熱交換器要素と考えられる。そのような熱交換器要素は、排ガス流から作動媒体への排ガス側での熱伝達に有利に働く。

蒸発装置カセットは、好ましくは長方形のプレート形状の構成されている。簡単な構造で蒸発装置カセットは互いに接合された二つのシェル筐体を有する。シェル筐体は、カセットハウジングを形成する。蒸発装置カセットの内部には、毛細管構造が形成されており、これが、カセットハウジングに合わせられた形式で長方形のプレート形状に構成されている。この態様は製造技術的に有利である。同じことは、蒸発装置の重量、及び必要な構造空間にも言える。

蒸発装置カセット又はシェル筐体は、好ましくは耐腐食性の材料及び／又は良好に熱を伝動する材料、特に金属、好ましくは鋼、特にステンレスから成っている。

本発明の有利な観点は、少なくとも一つのシェル筐体が、少なくとも一つの条部を有することを意図する。ここで、これはシェル筐体の面内の刻印又はエングレーブであることが可能である。そのような条部は、カセットハウジングの強度の向上または補強の為に設けられている。同様にそのような条部が、接続面又は流れ面として構成されていることも可能である。

有利な形態は、条部がシール条部として形成されていることを意図する。ここでこれは、シェル筐体（第一のシェル筐体）内の周回する条部であることが可能である。これは、毛細管構造の方向に内側に向けられており、そして毛細管構造と接触している。条部は、場合によっては耐熱性のシールを構成しつつ、液体側において毛細管構造と接触している。このようにして蒸発装置カセットの液体側は、シール条部によって境界づけられている。シェル筐体と毛細管構造の間の中間空間は、供給される液体状の作動媒体の為の分配室として使用される。

別の有利な形態においては、条部が、液体状の作動媒体の為の媒体サプライ部の構成部材を形成することが意図されている。媒体サプライ部は、其々二つの条部によって形成されていることが可能である。これらの間に媒体供給の為の一つのチャネルが形成されているように、これらは互いに付設されている。

個々の蒸発装置カセットへの液体状の作動媒体の分配の為に、蒸発装置には媒体分配部が付設されている。媒体分配部を介して液体状の作動媒体が蒸発装置カセットの媒体サプライ部へと分配される。

さらに、蒸発装置カセットの他のシェル筐体（第二のシェル筐体）内にも、複数の条部が設けられていることが意図され得る。隣接する二つの蒸発装置カセットにおいては、カセットは条部に沿って互いに当接し、そして排ガスチャネルを境界づけている。当該幾何形状によって、特に複数の条部の深さ又は高さによって、蒸発装置カセットの間の間隔が決定され、そしてこれによって排ガスチャネルの大きさが定義される。

毛細管構造は、蒸発装置カセット内のシールを構成しつつ設けられていることが可能である。ここで、特に耐熱性のシール、特にグラファイトベースのシールが使用される。シールは、２００度を超える高温用に構成されている。

毛細管構造と一又は複数のシールが、蒸発装置カセット内にばらばらに挿入されており、そしてシェル筐体を介して力結合的に保持されている。両方のシェル筐体は、接続配管やハウジング部材のような熱交換器の他の部材と同様、材料結合的に互いに接合されている。これによって排ガスチャネルのシール性と同様に熱交換器カセットのシール性が保証される。材料結合的な接続は、例えば溶接、レーザー溶接、ロウ付け、例えば炉内ロウ付けが真空化で使用される。炉内ロウ付けプロセスによって、多数の接合箇所が同時に作られることが可能である。

別の有利な観点は、蒸発装置に作動媒体の為の調整容器が前接続されていることを意図する。特に、調整容器は、リターン配管内に統合されている。

有利な態様は、システム内、特に蒸発装置内に圧力調整の為の手段が設けられていることを意図する。これによって、発明に係る自動車の熱交換器システムの効率が更に向上することが可能である。この目的の為に、特に蒸発装置及び調整容器が圧力調整配管を介して互いに接続されている。このようにして低い圧力レベルが、循環系内において保証される。蒸発装置と調整容器の間の圧力調整によって、循環系の作動方向が特にスタート過程において影響されることが可能である。更に、これによってスタートフェーズの温度の安定化が可能である。システムにとって有利な、蒸気配管と凝縮装置配管の間の高い温度差も支持される。

毛細管構造の製造プロセスは、シリンダー構造と比較して比較的簡単である。毛細管構造は、そのプレート形状の態様によって極めて堅牢である。特に有利には、蒸気チャネルが、焼結プロセスの際に毛細管構造内に直接設けられることが可能である。別の本質的な長所は、蒸発装置カセット又は蒸発装置の蒸気側及び液体側の間のシール部が、複雑な嵌めあいを必要としないことである。本発明に係る蒸発装置カセットと、特に毛細管構造の態様は、これによって形状相違及び位置装置に可にてエラー耐性がある。

本発明を以下に図面に基づいて詳細に説明する。

発明に係る自動車の熱交換器システムの熱交換器の長手方向断面の斜視図。 図１の熱交換器の横断方向断面図。

図１および２に基づき、発明にかかる自動車の熱交換器システムの蒸発装置１が説明される。

自動車の熱交換器システムは、作動媒体ＡＭのための一つの閉じられた循環系を有する。作動媒体ＡＭは特にエタノールである。自動車の熱交換器システムには、蒸発装置１と凝縮装置の間の必要な接続配管を含めた図示されていない凝縮装置と、作動媒体ＡＭのための調整容器が属する。調整容器は、蒸発装置１に前接続されている。

蒸発装置１は、ハウジング２内に設けられた複数の蒸発装置カセット３，４を有している。ここで図示された実施例においては、全体として六つの蒸発装置カセット３，４が設けられている。各蒸発装置カセット３，４は、カセットハウジング５を有する。これは、二つの互いに接合されたシェル筐体６，７（ステンレス製）を有する。シェル筐体６は以下において第一のシェル筐体と称され、そしてシェル筐体７は第二のシェル筐体と称される。

各蒸発装置カセット３，４内には毛細管構造８が設けられており、そしてこれはシェル筐体６，７の間に収容されている。蒸発装置カセット３，４の内部に統合された毛細管構造８は、焼結された材料、特に金属材料からなる多孔性のプレート筐体９として形成されている。

蒸発装置カセット３，４内には、毛細管構造８によってそれぞれ液体側１０と蒸気側１１が分離されている。液体側１０には、液体状の作動媒体ＡＭを蒸発装置カセット３，４内へ供給するための媒体サプライ部１２，１２ａが設けられている。各蒸発装置カセット３，４は、さらに蒸気収集部１３を有する。蒸気収集部１３内では、蒸発装置カセット３，４内で蒸発された作動媒体ＡＭが集められ、そして自動車の熱交換器システムの循環系内の図２に見て取ることができる蒸気配管１４を介して凝縮装置へと導かれる。

二つの蒸発装置カセット３，４の間には、各一つの排ガスチャネル１５が形成されている。自動車の内燃機関からの排ガスＡＧは、完全に、または部分的に排ガスチャネル１５上で分配され、そして蒸発装置１を通して導かれる。ここで排ガスＡＧは、二つの蒸発装置カセット３，４の間を通って排ガスチャネル１５内に流れ、これと熱交換を行う接触をする。蒸発装置１の入り口側には、ここでは図示されていない排ガス分配部が設けられている。これを介して排ガスＡＧが排ガスチャネル１５上で分配される。蒸発装置１の向かい合った側の端部においては、排ガスＡＧが流出し、そしてシステムから排出される。

排ガスチャネル１５内には、熱移行面の拡大のための熱交換器要素１６が設けられている。熱交換器要素１６は、蒸発装置１の長手方向に向けられた複数の薄板フィンである。これららは、それぞれ、二つの第二のシェル筐体７の平面１７の間に延在しており、そしてこれらと接合されている。

第一のシェル筐体６内には、内側に向けられ、周回するシール条部１８が設けられている。シール条部１８は、一つの圧力ゾーンを形成する。これによって第一のシェル筐体６が毛細管構造８に当接する。シール条部１８は周回しており、そして蒸発装置カセット３，４内の液体側１０を縁部側で境界づけている。

さらに、第一のシェル筐体６内にはそれぞれ複数の条部１９が形成されている。これらは、液体状の作動媒体ＡＭのための媒体サプライ部１２，１２ａを形成する。図２の図平面内で上側の、各外側の蒸発装置カセットと、下の蒸発装置カセット４においては、各一つの条部１９が媒体サプライ部１２を形成する。中央の蒸発装置カセット３，４には、互いに反対に（又は鏡像的に、独語：ｇｅｇｅｎｇｌｅｉｃｈ）配置された各二つの条部１９が、円形に形成された媒体サプライ部１２ａに対する補足を行っている。条部１９または媒体サプライ部１２、１２ａは、媒体分配部２０と対応している。この媒体分配部を介して液体状の作動媒体ＡＭが供給され、そして蒸発装置カセット３，４に分配される。媒体サプライ部１２、１２ａを介して供給される液体状の作動媒体ＡＭは、第一のシェル筐体６の平面２２内のエントリー開口部２１を介して、それぞれ蒸発装置カセット３，４内へと至る。

中央の蒸発装置カセット３，４の平面２２は、互いに接しており、そして互いに接合されている。

液体状の作動媒体ＡＭは、蒸発装置カセット３，４に媒体分配部２０および媒体サプライ部１２，１２ａ、を介して供給され、そしてそれぞれ蒸発装置カセット３，４の液体側へと至る。ここで、第一のシェル筐体６と毛細管構造８の間には一つの分配室２３が形成されている。これは、縁部側でシール条部１８によって境界づけられている。液体の作動媒体ＡＭは、毛細管構造８の面を介して液体側１０に分配室２３内で分配される。排ガスチャネル１５っを通って流れる高温の排ガスＡＧの熱伝達によって作動媒体ＡＭは蒸発装置カセット３，４内で蒸発される。作動媒体ＡＭは、液体側１０から毛細管構造８を通って進み、そして液体状の状態から蒸気状の状態へと移行する。蒸発装置１の運転の間の液体と蒸気の間の相境界は、毛細管構造８内を推移する。これによって、毛細管圧が構築され、この毛細管圧が、作動媒体ＡＭの循環系を前提づける、または保証する。蒸気側１１では、蒸気状の作動媒体ＡＭが蒸気チャネル２４を通って、蒸気収集部１３に至るまで流れる。各蒸発装置カセット３，４は、蒸気収集部１３を有する。蒸気状の作動媒体ＡＭは蒸気収集部１３から蒸気排出部および蒸気配管１４を介して連行され、そして凝縮装置へと導かれる。

蒸気チャネル２４は、図１および２において示唆的にのみあらわされている。蒸気チャネル２４は、蒸気側において毛細管構造８の長手方向および横断方向に延在している。

凝縮装置内では、蒸気状の作動媒体の熱がコンシューマーに放出される。特に、凝縮装置は、自動車の加熱装置、例えば内部室暖房装置の構成部材であることが可能である。凝縮装置は、また、自動車のエアコン装置のエアコンモジュールであることが可能である。熱放出の結果として、蒸気状の作動媒体ＡＭは凝縮装置内で液化し、そして好ましくは重力の作用でサブライブ配管を介して、蒸発装置１または蒸発装置カセット３，４内へと逆流する。サプライ部配管は、媒体分配部２０のサプライ部２５に接続されている。

１ − 蒸発装置
２ − ハウジング
３ − 蒸発装置カセット
４ − 蒸発装置カセット
５ − カセットハウジング
６ − シェル筐体
７ − シェル筐体
８ − 毛細管構造
９ − プレート筐体
１０ − 液体面
１１ − 蒸気面
１２ − 媒体サプライ部
１２ａ − 媒体サプライ部
１３ − 蒸気収集部
１４ − 蒸気配管
１５ − 排ガスチャネル
１６ − 熱交換器要素
１７ − ７の平面
１８ − シール条部
１９ − 条部
２０ − 媒体分配部
２１ − エントリー開口部
２２ − ６の平面
２３ − 分配室
２４ − 蒸気チャネル
２５ − サプライ部
ＡＧ − 排ガス
ＡＭ − 作動媒体

Claims (16)

1. 作動媒体（ＡＭ）のための一つの閉じられた循環系を有する自動車の熱交換器システムであって、その際、自動車の熱交換器システムが、作動媒体（ＡＭ）の蒸発のための蒸発装置（１）を有する自動車の熱交換器システムにおいて、
   蒸発装置（１）が、少なくとも二つの蒸発装置カセット（３，４）を有し、その際、蒸発装置カセット（３，４）の間に、一つの排ガスチャネル（１５）が形成されており、そして各蒸発装置カセット（３，４）が、毛細管構造（８）と液体側（１０）および蒸気側（１１）を有し、その際、液体側（１０）に、液体状の作動媒体（ＡＭ）のための媒体サプライ部（１２、１２ａ）が設けられており、そして各蒸発装置カセット（３，４）に、一つの蒸気収集部（１３）が付設されていることを特徴とする自動車の熱交換器システム。
2. 毛細管構造（８）が、多孔性のプレート筐体（９）により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の自動車の熱交換器システム。
3. 毛細管構造（８）が、焼結された材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の自動車の熱交換器システム。
4. 毛細管構造（８）内に複数の蒸気チャネル（２４）が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
5. 蒸気チャネル（２４）が、毛細管構造（８）の蒸気側（１１）上に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の自動車の熱交換器システム。
6. 蒸発装置カセット（３，４）が、液体側（１０）に、液体状の作動媒体（ＡＭ）の為の分配室（２３）を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
7. 蒸発装置カセット（３，４）が、互いに接合された二つのシェル筐体（６，７）を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
8. 少なくともシェル筐体（６，７）内に、少なくとも一つの条部（１８，１９）が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の自動車の熱交換器システム。
9. 条部が、周回するシール条部（１８）の形式で、蒸発装置カセット（３，４）の液体側（１０）を境界づけていることを特徴とする請求項８に記載の自動車の熱交換器システム。
10. 条部（１９）が、媒体サプライ部（１２，１２ａ）の構成部材を形成することを特徴とする請求項８または９に記載の自動車の熱交換器システム。
11. 蒸発装置カセット（３，４）が、ハウジング（２）内に統合されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
12. 蒸発装置（１）に、媒体分配部（２０）が付設されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
13. 排ガスチャネル（１５）内に複数の熱交換器要素（１６）が設けられていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
14. 蒸発装置（１）と圧力調整容器の間に圧力調整のための手段が設けられていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
15. 蒸発装置（１）の前に作動媒体（ＡＭ）の為の圧力調整容器が接続されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。
16. 蒸気側において、蒸発装置カセットのカセットハウジング内に複数の蒸気溝が形成されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の自動車の熱交換器システム。

Images